Les alimentations

Les alimentations sont partout dans nos appareils électriques et électroniques et sont de plus primordiaux. Ils servent tout simplement à alimenter nos appareils avec la bonne tension et le courant, donc la puissance, qui va avec. Si une alimentation est défectueuse c'est tout l'appareil qui ne marche pas. Retirer les piles d'un appareil en ayant besoin et l'appareil devient inutile.

Comme les appareils électriques sont différents, ils ont besoin de tension et d'intensité différents. L'alimentation parfaite serait une alimentation permettant de choisir la tension voulue et pouvant générer n'importe quel courant électrique. Cela n'existe pas, c'est la raison pour laquelle il existe une multitude d'alimentations pour une multitude d'usages. Ainsi les alimentations peuvent avoir plusieurs nom : pile, batterie, chargeur, adaptateur, transformateur, alimentation linéaire ou filtrées, etc. Cela provient de la différence des technologies utilisées et des différentes tensions utilisées : continue ou alternative.

Par la suite, nous allons faire un petit tout d'horizon, non exhaustif, des différentes alimentations en tension continue et alternative sans entrer trop dans leur fonctionnement précis ce qui serait trop long dans un premier temps.

Il existent plusieurs type de pile qui ont une forme et une tension différente. Les plus connus sont les piles AA et AAA, cylindrique de 1,5V. Puis il y a toutes les piles boutons de 3V CR2032, etc. On trouve aussi des piles de 9V LR06. Anciennement il existait des piles de 4,5 V qui tendent à disparaître.

Une pile surtout neuve se doit de délivrer une certaine tension. Par exemple les piles AA délivrent une tension de 1,5V. En réalité, la tension délivrée va dépendre de la charge que vous branchez à la pile. Si la charge demande trop de courant, la pile ne pourra pas délivrer ce courant et la tension va se mettre à chuter. Par exemple, une pile qui sans charge a une tension de 1,5V, branché sur une ampoule qui demande un courant de près d'un ampère, sa tension va chutée. Les piles sont faite pour fournir des intensités maximales de l'ordre de quelques centaines de mA donc autour de 0,5-0,7 A maximum. Ainsi si vous mettez une pile en court-circuit, donc si vous reliez le pôle négatif avec le positif par un fil, la pile va se déchager avec un courant maximal autour de 0,5 A. La pile va aussi se mettre à chauffer car comme on le verra plus loin, elle a une résistance interne qui limite l'intensité. Ainsi en fonction du courant que l'on demande à une pile, cette dernière pourra être considérée comme morte ou encore utilisable. Plus le courant demandé est fort plus la pile doit être neuve, et vice-versa.

En plus d'un courant limite, la pile a aussi une durée de vie limitée. En effet, une pile est une accumulation de charge que l'on peut faire transiter du pôle + au pôle -. Cependant une fois que toutes ces charges ont fait le trajet la pile est morte. Une pile parfaite passerait d'une tension de 1,5V à une tension de 0 V lorsqu'elle aurait délivrée sa dernière charge. En réalité, c'est plus compliqué avant d'avoir délivré toute ces charges la pile va déjà commencé à diminuer en tension d'autant plus qu'elle devra délivré un courant fort de quelques 100 mA. La charge totale d'une pile dépend de la taille de la pile plus elle est grosse plus sa charge est grande. Ainsi les piles AAA, pour un même courant électrique, durent moins longtemps que les piles AA. L'unité de la charge est l'ampère-heure, Ah, ou le milliampère-heure, mAh. Une pile de 1000 mAh = 1Ah signifie qu'elle pourrait délivrer 1 A pendant une heure ou 2 A pendant 30 min ; ce qui est certainement impossible car son courant maximal ne doit pas dépasser 1 A. Plus raisonnablement, cela veut dire qu'elle peut délivrer 100 mA pendant 10h ou encore plus réaliste 10 mA pendant 100h. Il suffit de faire des règles de trois.

Il arrive très souvent que pour un appareil électronique, il faille mettre plus d'une pile, souvent 2, 3 ou même 4. On pourrait penser que cela sert à avoir plus d'autonomie ; avec 2 piles on pourrait utiliser 2 fois plus de temps l'appareil. Il n'est en rien. Comme vu précédemment la durée dépend de la charge qui sera déterminé par la taille de la pile. Ici le but n'est pas d'augmenter la durée mais d'augmenter la tension. En effet deux pile de 1,5V que l'on relie en connectant le pôle + de l'une avec le pôle - de l'autre permet d'avoir une nouvelle pile avec toujours un pôle + et - (les deux restants) mais avec une tension qui sera la somme des tensions des piles. Ainsi quand vous avez trois piles AA de 1,5 V dans un appareil électrique, cela signifie que cet appareil fonctionne avec une tension de 3*1,5V = 4,5V. Il est intéressant de constater que les piles de 4,5V, ne sont rien d'autres que l'assemblage de trois piles de 1,5V mise en série. De même pour les piles de 9 V qui regroupent 6 piles de 1,5 V. Mettre en série des piles, c'est à dire les relier via leur pôle opposé, revient à créer une nouvelle pile qui a pour tension la somme des tensions mais dont le courant maximal sera le même et dont la durée de vie pour un certain courant sera le même.

Tester si une pile est encore bonne : La mesure de la tension d'une pile vous permet de savoir si une pile est encore bonne. Une pile qui est dite de 1,5 V doit être mesurée environ entre 1,4 et 1,6 V. Dans certain cas, une pile qui baisse en tension est inutilisable dans d'autre cas on peut encore l'utiliser mais avec des courants plus faibles. Enfin, une pile qui fuit avec de la poudre souvent bleue autour d'elle est une pile définitivement morte qu'il faut jeter au recyclage.

Les piles ont un avantage d'être portable mais elles ont deux gros défauts : leur courant maximal n'est pas très grand et elle sont limités dans le temps. Le dernier défaut peut être en partie corrigé par des batteries. Ces dernières ont des propriétés similaires aux piles mais elle sont rechargeables un grand nombre de fois. Les plus connues sont sûrement les piles rechargeables. Comme la physique de ces piles n'est pas la même que pour les piles classiques, leur tension n'est pas non plus la même ; elle délivre du 1,2 V au lieu du 1,5 V même si elles ont la même forme. A l'heure des téléphones portables, il existe beaucoup de type de batterie différente inclus dans les appareils qui n'ont pas du tout la forme de piles. Les plus connues sont celles dite Lithium-ion qui permettent de délivrer 3,6 ou 3,7 V. On les trouve dans les téléphones portables, les écouteurs sans fil, les haut-parleurs bluetooth, etc.

Les panneaux solaires sont de plus en plus en vogues avec le problème du dérèglement climatique car cela permet d'avoir de l'électricité sans consommer d'énergies fossiles. Le principe d'un panneau solaire est assez simple, il consiste à convertir l'énergie lumineuse fournir gratuitement et quotidiennement par le soleil en énergie électrique. Un peu plus en détail, la lumière du soleil vient frapper un matériel spécifique (silicium dopé) pour lui arracher des électrons et induire ainsi un courant électrique.

Bien que cette façon de produire une tension électrique constante soit très intéressante, elle a plusieurs contraintes. Premièrement, plus on veut de puissance plus il faudra avoir une grande surface. L'ensoleillement est capricieux : la nuit il est nul, quand il faut mauvais temps il est plus faible. Bref, l'énergie solaire est non pilotable, on doit se contenter de ce que la nature nous donne à un instant donné. Le rendement des panneaux solaires est de l'ordre de 25-30%. Ainsi si la nature nous donne 1 kW = 1000 W par m2 un jour de beau temps, le panneau solaire n'en convertira qu'un quart 250 W en énergie électrique.

Il existe au moins deux types d'utilisation des panneaux solaires. Soit ils servent à produire en masse de l'électricité sur les toits d'une maison ou dans un champs, soit ils servent à alimenter de petits appareils électroniques ne demandant que peu de puissances comme des calculatrices de poches, lesquelles existent de moins en moins avec l'arrivé des téléphones portables.

Pour aller encore plus loin en ayant des tensions et des courants max plus élevée, il existe les adaptateurs. Ces derniers se branche sur le secteur via une prise électrique et convertissent le 230 V efficace fournit en une tension plus basse constante de 4, 6, 9, 12 par exemple. Ces adaptateurs que l'on peut aussi appelé bloc d'alimentation ou encore chargeur, ne marchent que branché sur une prise donc on perd évidemment le côté portable des piles et des batteries. Par contre, on gagne en durée de vie car, panne mis de côté, les adaptateurs ont une durée de vie infinie en théorie, quelques années ou dizaine d'années en pratique. Il existent deux technologies d'adaptateur bien qu'une soit en train de disparaître. Les anciens adaptateurs, dit linéaire, étaient plus lourds délivrant péniblement 1A et surestimant la tension pour des faibles courants. Les plus récents, dit à découpage, sont légers, délivrant des courants électrique plus grand et on une meilleur stabilisation de leur tension. On verra plus tard pourquoi on les appelle linéaire et à découpage.

Enfin la Rolls-Royce des générateurs de tensions continues sont les alimentations de laboratoire. Ces dernières sont dite “de laboratoire” car ce n'est pas le grand public qui les utilisent mais les scientifiques ou ingénieurs ou les bricoleurs avancés. Ces alimentations peuvent fournir une tension à la demande entre 0V et une tension maximale qui peut être 30 V ou 80 V en fonction du prix que vous mettez. De plus, elle peuvent délivré pour n'importe quelle tension une intensité allant jusqu'à 5 ou 10 A, toujours en fonction du prix de vous mettez. Ainsi une alimentation qui au maximum peut vous délivrer 30 V et 5 A coûtera bien moins cher qu'une alimentation pouvant fournir du 80 V à 15 A par exemple. L'intérêt de ces alimentations est de pouvoir alimenté à peu près tout les appareils électrique fonctionnant avec une tension constante. De plus, il est possible de limiter l'intensité. Par exemple, on peut choisir de demander du 10 V avec un courant maximal de 1 A alors que l'alimentation pourrait aller jusqu'à 5 A. Cette propriétés sert à ne pas endommager les circuits. En effet, on le revera plus tard plus en détail mais beaucoup de courant signifie beaucoup de puissance injecté dans l'appareil électronique et cela peut lui être préjuduciable. En résumé, ces alimentations sont des outils de travail pour le bricoleur/réparateur averti.

Un courant ou une tension est dite alternative si sa valeur se répète dans le temps suivant un motif répétitif. La tension alternative la plus utilisée est la tension sinusoïdale dont la valeur sur un graphe à une forme de vague. La tension part de 0 V puis augmente jusqu'à 325 V (pour une prise de courant) pour descendre à -325 V et enfin remonter à 0 V et reprendre ce cycle.

Ce cycle a une durée très courte car il ne dure que 20 ms et ainsi il se répète 50 fois par seconde. C'est pourquoi on parle de 50 Hz. Ainsi si on alimente une résistance chauffante de grille-pain avec une telle tension, le courant qui passe dans la résistance va osciller de droite à gauche 50 fois par seconde. Comme I = U/R, l'intensité sera nulle quand la tension sera nulle et elle sera maximale quand la tension sera maximale.

Pour une résistance branchée sur le secteur, elle voit une tension changer de 325 V à -325 V donc un courant aller tantôt vers la gauche et tantôt vers la droite. Cependant, pour la résistance que le courant aille d'un côté ou d'un autre, cela ne change pas qu'elle va chauffer. En moyenne, elle chauffera de la même manière que si elle était alimenté en 230 V continu. On dit alors que la tension des prises du secteur est de 230 V efficace car elle est équivalente en puissance à une tension de 230 V continu bien qu'elle soit alternative de 325 V à -325 V.

Pour plus de détail voir : courant alternatif.

Les centrales électriques servent à transformer de l'énergie mécanique, chimique, nucléaire en énergie électrique pour fournir une tension alternative de 50 Hz 230 V limité à une puissance de quelques milliers de Watt dans les maisons individuelles.

Afin de produire cette électricité, toutes les centrales électriques fonctionnent sur le même principe de l'induction électrique. En effet, lorsque d'un fil métallique (une bobine) tourne dans un champ magnétique, cela crée des forces qui tendent à faire bouger les électrons et donc à créer une tension électrique. Ainsi, les centrales électriques doivent trouver des moyens pour faire tourner des fils dans un champ magnétique : soit avec du vent (éolienne) de l'eau (barrage) ou de la vapeur d'eau sous pression (centrales thermiques, nucléaires)

Il existe différent type de centrale électrique car il existe différente façon d'actionner la rotation de fils dans un champ magnétique. On va voir ici les quatre grands types de centrales électriques et leurs propriétés.

• Centrale nucléaire : elle utilise de l'uranium qu'elle fissionne pour convertir de l'énergie nucléaire en énergie thermique. L'énergie nucléaire est très condensée donc besoin de peu de quantité d'Uranium. Elle produit des déchets nucléaires. Elle est pilotable.
• Centrale hydraulique : elle utilise directement l'énergie mécanique de l'eau qui tombe pour faire tourner des fils dans un champs. Elle a besoin de grandes chutes d'eau avec un fort débit. Elle est semi-pilotable. Elle ne produit pas de déchet mais elle bouleverse l’écosystème autour du barrage.
• Centrale éolienne : elle utilise l'énergie mécanique du vent. Elle est non pilotable, ne produit pas de déchet mais demande de grandes surfaces
• Centrale thermique : elle brûle du pétrole ou du charbon afin de convertir cette énergie thermique en énergie mécanique pour faire tourner de fils dans un champ magnétique. Le résultat est une production de CO2 qui est très néfaste pour le dérèglement climatique. Elle est pilotable et son énergie est assez condensée.

Au niveau d'un pays comme la France, votre maison peut être à quelques km de l'endroit où est généré la tension alternative dans une centrale électrique. C'est un peu comme si vous utilisez un appareil électrique avec des piles mais que vos piles étaient à 2 km reliées à votre appareil par des longs fils. Cela ne semble pas pratique pour les piles mais on ne peut pas mettre des centrales nucléaires proche de chaque maison ou appartement. La conséquence est qu'il faut des longs fils pour transporter le courant électrique depuis la centrale électrique aux foyers ou entreprises française. On se dit qu'il suffit juste de mettre des fils et l'affaire est réglée. Cependant dans ces fils, il circule un courant assez élevé car il s'agit du courant partant de la centrale pour aller fournir de l'électricité à des milliers de français. L'intensité dans ce cas requis est certainement de plusieurs milliers d'Ampère. Cependant, nous avons vu qu'un fil réel n'a pas une résistance nulle. Donc le fil va se mettre à chauffer suivant l'effet Joule RI^2. Supposons un fil de cuivre d'un gros diamètre de 10 cm et d'une longueur de 10 km. Sa résistance est alors de 22 mOHM. Pour un millier d'Ampère cela revient à 22*10^-3*1000*1000 = 22 000 Watt. De plus, la tension du fil ne sera pas nulle U = RI = 22*10^-3*1000 = 22 V. Ainsi chez vous au lieu d'avoir du 230 V vous n'auriez que du 230-22 = 208 V. Ainsi vous consommeriez une puissance de 208*1000 = 208 000 W et 22 000 W serait perdue dans les câble électrique donc plus de 10 %. Cela n'est pas envisageable de plus trop de chaleur dissipé risque de faire fondre les câbles.

La solution est alors de faire des lignes à hautes-tensions, plus de 1000 fois la tension de votre foyer à 230 V. Si vous multipliez par 1000 la tension vous pouvez divisez par 1000 l'intensité pour faire voyager la même puissance. Dans ce cas, il n'y aurait plus que 1 A dans vos lignes électriques et le problème serait résolu. L'idée est la bonne et elle est massivement utilisé pour transporter de l'électricité. Cependant il reste un problème, comment convertir une tension en une autre ?

Dans une maison, le plus simple pour avoir accès à une alimentation est une prise électrique. Elle fournit du 230 V efficace 50 Hz avec une puissance pouvant aller à plusieurs kW. En conséquence, bon nombre d'appareil électrique pour fonctionner se branche sur le secteur. Cependant ces appareils parfois fonctionne non pas en 230 V AC mais en basse tension DC 6/12/24 V assez fréquemment. Il faut trouver une moyen de convertir cette tension alternative de 230 V en plus basse tension et en continu.

Une solution pour nos deux problèmes est l'utilisation de transformateurs électriques. Ces derniers sont des appareils électriques de bases en électricité. Leur but est de convertir une tension alternative en un autre tension alternative de tension différente. Il est ici seulement question de tension alternative car un transformateur ne peut pas convertir une tension constante en une autre, cela est dû aux lois de la physique qui régissent le fonctionnement de cet appareil. Pour faire simple, un transformateur parfait a quatre pattes ; deux du côté primaire sur lesquelles on met une certaine tension que l'on sait générée et deux du côté secondaire où l'on veut retirer une nouvelle tension. Le rapport entre les tensions peut varier théoriquement comme on veut mais en pratique, il est souvent entre 10 et 1000 dépendant de ce que l'on veut faire.

Dans le cas idéal d'un transformateur parfait, il n'y a pas de perte énergétique ainsi toute la puissance fournie au primaire et redonnée au secondaire. Si on note U1, I1 et U2, I2 tension et courant au primaire et secondaire alors P = U1*I1 = U2*I2. Ainsi le rapport des intensités nous dit que I2 = I1*U1/U2. Ainsi si vous diminuez par 10 la tension vous augmenterez par 10 l'intensité dans le secondaire et vice-versa. Prenons l'exemple d'un appareil électrique marchant en 12 V en convertissant du 230 V. Le rapport de tension est 230/12 = 20 à peu près. Ainsi si l'appareil consomme 1 A à 12 V donc 12 W, au primaire l'intensité ne sera que de 1/20 = 50 mA. Si l'on pousse ce raisonnement plus loin, on peut imaginer un transformateur convertissant du 230 V en 1 V donc avec un rapport de 230. Ainsi vous pourriez avoir 230 W au secondaire avec 230 A en ne demandant seulement qu'un ampère au primaire. Bien évidemment cela n'est pas si simple car dès que vous demandez de grands courants, vous avez plus de chance d'avoir des pertes énergétiques et donc le modèle simpliste de transformateurs parfaits trouve ses limites. Pour plus de détails voir la formation sur les bobines.

En électronique, il n'y a pas que des tensions alternatives sinusoïdales. Il est très fréquent d'avoir des tensions alternatives créneaux. Ces dernières sont les plus simples, elle valent seulement deux valeurs Umax et Umin par exemple 10 V et 0 V de manière cyclique. Il est aussi intéressant pour le dépannage d'appareil électrique d'avoir une tension qui croît et décroît de manière linéaire et non sinusoïdale et toujours alternativement.

De plus, la répétition du motif cyclique n'est pas toujours de 50 fois par seconde. Certain appareil électrique, comme tous ceux qui touchent au son ou au alimentation à découpage, comporte des signaux électriques ayant des fréquences bien plus grandes que 50 Hz.

Pour toutes ces raisons, il existent des générateurs de basses fréquences qui sont capables de générer des tensions alternatives ayant trois formes possibles : sinusoïdale, créneau, dent de scie (linéaire). Ces générateurs comme leur nom l'indique peuvent générer des signaux à diverses basses fréquences c'est à dire entre 0 et des centaines ou des milliers de kHz, donc des MHz. Les hautes fréquences comprenant les centaines de MHz et les GHz.